本文關(guān)鍵詞：曲軸電磁感應(yīng)淬火強(qiáng)化影響數(shù)值模擬研究

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【摘要】：電磁感應(yīng)淬火是曲軸廣泛采用的表面強(qiáng)化技術(shù)之一。本文在深入研究電磁感應(yīng)淬火原理和實(shí)際淬火工藝的基礎(chǔ)上，開展了曲軸電磁感應(yīng)淬火相關(guān)理論分析、數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)研究工作。主要內(nèi)容包括： （1）從Maxwell基本方程組出發(fā)，通過理論分析獲得了半無限大體電磁感應(yīng)加熱過程電磁場和生熱率的解析解，討論了有關(guān)參數(shù)對生熱率的影響。工件內(nèi)的生熱率正比于電流密度以及感應(yīng)器寬度的平方。生熱率隨空氣間隙的增大成指數(shù)形式衰減。電源頻率對最大生熱率和生熱率的分布規(guī)律都有影響。當(dāng)空氣間隙對生熱率的影響可以忽略時(shí)，最大生熱率正比于電源頻率；當(dāng)空氣間隙的影響不可忽略時(shí)，存在著一個(gè)臨界電源頻率，當(dāng)電源頻率小于臨界頻率時(shí)，最大生熱率正相關(guān)于電源頻率；當(dāng)電源頻率大于臨界頻率時(shí)，最大生熱率負(fù)相關(guān)于電源頻率。工件內(nèi)生熱率沿深度方向的衰減與電源頻率滿足指數(shù)型關(guān)系。 （2）利用熱膨脹實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，考慮加熱速度對奧氏體化過程的影響，得到了42CrMo奧氏體化過程的擴(kuò)展解析動(dòng)力學(xué)模型，擬合數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能夠很好地吻合。奧氏體化開始溫度與加熱速度的對數(shù)值滿足線性關(guān)系，奧氏體化時(shí)間與加熱速度滿足雙對數(shù)線性關(guān)系。奧氏體化開始溫度隨著加熱速度的增大而增大，奧氏體化時(shí)間隨著加熱速度的增大而減小。利用擴(kuò)展動(dòng)力學(xué)解析模型和疊加原理，預(yù)測了曲軸加熱速度連續(xù)變化的電磁感應(yīng)加熱過程中的奧氏體化過程，，為淬火過程預(yù)測提供了組織準(zhǔn)備。 （3）利用梅尼爾模型對淬火冷卻后曲軸的淬硬層分布和硬度進(jìn)行預(yù)測，討論了材料成分、換熱系數(shù)和加熱時(shí)間對淬火后硬度分布的影響。當(dāng)加熱時(shí)間足以保證表面完全奧氏體化時(shí)，延長加熱時(shí)間，表面硬度略有降低，但可以增加淬硬層厚度。其它條件相同時(shí)，材料成分取上限值時(shí)，淬火后的硬度高于材料成分取常用值和下限值時(shí)的硬度。水淬時(shí)，取不同的換熱系數(shù)，淬火后的表面硬度差別很小，但是高于設(shè)計(jì)值，采用水作為冷卻介質(zhì)不能滿足要求。比較了傳統(tǒng)的根據(jù)加熱溫度預(yù)測奧氏體化過程與本文建立的奧氏體化動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測奧氏體化過程后，淬火冷卻后淬硬層分布的差異，采用奧氏體化動(dòng)力學(xué)模型預(yù)測奧氏體化過程淬火冷卻后圓角區(qū)域淬硬層過渡更為平緩，為了精確預(yù)測電磁感應(yīng)淬火材料奧氏體化必須使用奧氏體化動(dòng)力學(xué)模型。 （4）利用二維軸對稱熱彈塑性模型研究了淬火后殘余應(yīng)力分布。軸頸區(qū)域表面為殘余壓應(yīng)力，隨著距離表面深度的增加，殘余壓應(yīng)力逐漸減小，直至轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力狀態(tài)。然后，隨著距離表面深度的進(jìn)一步增加，拉應(yīng)力值先增大后減小直至轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力狀態(tài)。最后，隨著距離表面深度的進(jìn)一步增加，壓應(yīng)力值先增大后減小最終趨向于0。軸頸表面殘余應(yīng)力隨著加熱時(shí)間的延長近似具有逐漸減小的趨勢。X射線衍射法測量結(jié)果表明圓角表面為殘余壓應(yīng)力。 （5）考慮電磁感應(yīng)淬火曲軸表層材料性能的非線性，建立了曲軸強(qiáng)度分析有限元模型，得到了考慮彈性模量空間分布不均勻性的電磁感應(yīng)淬火曲軸工作狀態(tài)Mises應(yīng)力分布規(guī)律。研究了材料性能變化對工作狀態(tài)應(yīng)力分布的影響。Mises應(yīng)力最大值隨著表層和基體彈性模量的比值增大而增大，并且近似滿足線性關(guān)系。過渡層內(nèi)彈性模量的分布形式對Mises應(yīng)力最大值的影響很小，可以將過渡層內(nèi)的彈性模量用表層或者基體的彈性模量代替。
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TK403

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本文編號：1170442